Nghiên cứu về SDR, nắm được cách thiết kế với FPGA và thiết kế mô hình một máy thu số tín hiệu FM bằng phần mềm

Lịch trình này do SCA SoftwareCommunications Architecture đề ra, nó được JTRSA phát triển và đưa ra một tậphọp các chỉ tiêu được mô tả bằng liên lạc và tương tác giữa các mô đun vô tuyến

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay khoa học công nghệ đang phát triển nhanh chóng, để có thể ápdụng những công nghệ mới đòi hỏi người làm khoa học phải luôn cập nhật nhữngthành tựu mới của khoa học kỹ thuật Việc áp dụng những công nghệ mói sẽ tiếtkiệm được thời gian, công sức và phát huy hết khả năng và thành tựu của khoa họcvào các ứng dụng thực tế.

Cùng với sự phát triển của công nghệ FPGA thì khái niệm vô tuyến đượcđịnh nghĩa bằng phần mềm (SDR) ngày càng trở nên phổ biến Vói những ưu điểmvượt trội của nó so với vô tuyến cấu hình cứng truyền thống đặc biệt trong quân sự

Nó tăng khả năng tích họp giúp cho thiết bị không những hoạt động ở nhiều chế độhơn mà còn giảm được kích thước và trọng lượng và nguồn tiêu thụ Công nghệFPGA được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phầnmềm

Chính vì vậy việc làm chủ công nghệ này là cần thiết, đồ án này tập trungnghiên cứu về SDR, nắm được cách thiết kế vói FPGA và thiết kế mô hình mộtmáy thu số tín hiệu FM bằng phần mềm Nội dung đồ án gồm có 3 chương

Chương 1: Tổng quan về vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

Nội dung của chương này giới thiệu về hệ thống vô tuyến định nghĩa bằngphần mềm Các giai đoạn phát triển và tổng quan về kỹ thuật của SDR, những ưuđiểm và ứng dụng của nó

Chương 2: Thiết kế SDR trên cơ sở FPGA

Trong chương này giới thiệu về công nghệ FPGA, nêu ra quá trình thiết kếvới FPGA và ứng dụng vào SDR

Chương 3: Máy thu số

Nội dung của chương này giới thiệu về máy thu số và lựa chọn công nghệFPGA để thiết kế mô hình một máy thu tín hiệu FM số trên phần mềm và thựcnghiệm trên thiết bị

Do trình độ và thời gian còn hạn chế, nội dung đồ án không tránh khỏi nhữngthiếu sót, kính mong sự đóng góp và chỉ đạo của các thầy cô cùng các đồng chí để

đồ án này ngày càng hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn,giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Lê Hải Nam (Bộ môn Thông tin - Khoa Vôtuyến Điện tử), các thầy, cô giáo trong Bộ môn Thông Tin - Khoa Vô tuyến Điện

tử, Học viện Kỹ thuật quân sự đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng nhưtrong quá trình làm đồ án

Hà NộiNgày 18 tháng 5 năm 2009

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỂ VÔ TUYẾN ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN

MỀM (SDR)

Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) là một công nghệ mới xuất hiệngần đây và đã trở thành chủ đề nghiên cứu tích cực trong hơn một thập kỷ qua.Thuật ngữ “Software Defined Radio” và “Software Radio” dùng để mô tả các hệthống vô tuyến được thực hiện chủ yếu bằng phần mềm Các hệ thống vô tuyến này

sẽ được tái cấu hình mỗi khi cập nhật phần mềm Cũng có những định nghĩa tổngquan hơn về nội dung này

Một số chương trình SDR quân sự tiên phong đã chứng minh cho khả năngphát triển của công nghệ này Những dự án gần đây nhất đã tạo ra các sản phẩm vôtuyến thay thế được các hệ thống kế thừa trước đó Công nghệ SDR đã phát triểnmột cách nhanh chóng Các kiến trúc kích thước đang được tiêu chuẩn hoá để cóthể mang xách được bằng cách sử dụng công nghệ phần mềm vô tuyến xử lý dạngsóng ở một số lĩnh vực khác nhau

Công nghệ SDR đang bắt đầu tìm thấy những tiềm năng về thương mại Khi

mà công nghệ này trở thành xu hướng chủ đạo thì khả năng thích ứng của côngnghệ này sẽ tạo ra những triển vọng cho các dịch vụ mới Từ quan điểm của người

sử dụng thì họ rất mong muốn việc vận hành thông qua mạng không dây mà khôngcần quan tâm đến công nghệ nền tảng

1.1 Sự phát triển cho Quân sự các hệ thống vô tuyến dựa trên phần mềm

tại thực sự Một số các cơ quan, tổ chức trong Quân đội Mỹ cũng đã tham gia vào

nỗ lực chung này như Cơ quan các dự án phát triển tiên tiến Quốc phòng (DARPA:Defense Advanced Research Projects Agency), Lục quân, Hải quân, Không quân và

Cơ quan an ninh Quốc gia (NSA: National Security Agency)

Tựu chung lại, dự án này phục vụ hai mục đích chính Thứ nhất là việc pháttriển các hệ thống vô tuyến dựa trên việc sử dụng công nghệ xử lý có thể lập trìnhcho phép các tín hiệu vô tuyến quân sự hoạt động trong một dải tần rộng Mục tiêuthứ hai là nhằm tạo ra khả năng cho phép kết họp các chuẩn mã hoá và điều chếmới của các hệ thống vô tuyến trong tương lai với những ưu việt của các công nghệmới Các nhà phát triển trong Quân đội hy vọng những ích lợi do hệ thống SDRđem lại, đó là:

• Khả năng phối họp thông qua mô phỏng các tín hiệu vô tuyến khác nhau

• Tính mềm dẻo cho phép tái cấu hình ở các quy mô khác nhau nhằm đáp ứng những yêu cầu sử dụng

• Đáp ứng nhanh chóng và dễ dàng với các phát triển trong tương lai

• Triển vọng giảm giá thành trong việc triển khai các hệ thống vô tuyến

a SPEAKeasy giai đoạn I

SPEAKeasy đã được thực hiện trong hai giai đoạn Giai đoạn I được bắt đầu

từ năm 1992, với mục đích để phát triển các công nghệ nhằm hỗ trợ cho việc thựchiện của các thiết bị vô tuyến đa băng tần, đa chế độ và đã minh chứng được một hệthống vô tuyến cụ thể có thể hoạt động cho cả dải tần của lục quân, hải quân, khôngquân và vệ tinh ở dải từ 2 MHz đến 2 GHz

Hình 1.1 Kiến trúc SPEAKeasy giai đoạn I

Dự án này đã phát triển hệ thống vô tuyến mà hầu như đã đạt được mọi mụctiêu đã đề ra Một số vấn đề đặt ra là chia băng tần rộng thành các băng con nhỏhơn để có thể xử lý bằng các kỹ thuật vô tuyến tương tự tích hợp khác nhau bằngcùng các bộ A/D Điều này đã trở thành khái niệm cơ bản của hệ thống vô tuyếnphần mềm băng rộng Các nhà phát triển cũng đã nhận ra rằng yêu cầu phải có mộtkiến trúc mở để phát triển hệ thống vô tuyến Tuy nhiên, có một nhược điểm nảysinh là bộ xử lý lúc bấy giờ không thể cho phép một vài thiết bị vô tuyến có thểthực hiện hội đàm cùng lúc trong không gian

b SPEAKeasy giai đoạn II

Sau việc phát triển thành công của hệ thống vô tuyến mà có thể hỗ trợ trongmột băng rộng, giai đoạn II của SPEAKeasy nhằm tạo ra một kiến trúc mở, hệthống có thể tái cấu hình cho phép kết nối một số giao thức vô tuyến khác nhauthông qua việc kết nối kênh chéo để có thể cho phép thực hiện nhiều hội đàm cùnglúc

MMI/

Hình 1.2 Kiến trúc SPEAKeasy giai đoạn II

Chỉ 15 tháng sau, các nhà phát triển đã đưa ra một thiết bị vô tuyến có thểhoạt động trong băng tần 4 MHz đến 400 MHz Mặc dù giai đoạn II dự định thựchiện trong vòng 3 năm nhưng nó đã kết thúc sớm hơn sau phiên bản thành công vàphiên bản này đã được đưa vào sản xuất

Kiến trúc dựa trên các giao diện chuẩn mở ra các mô hình khác nhau để quản

lý một số các chức năng vô tuyến khác nhau, kết quả là đã tạo ra các thiết bị vôtuyến nhỏ hơn và nhẹ hơn nhiều so với ở giai đoạn I

Bảng 1: Các thành phần tích hợp của kiến trúc SPEAKeasy

Thay vì sử dụng một hệ thống hoạt động trung tâm, các mô đun khác nhaugiao tiếp trên một bus máy tính PCI được chia sẻ thông qua một giao thức phân lóp

Dự án cũng đã giới thiệu việc sử dụng FPGA và vi xử lý để xử lý số

1.1.2 Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung (JTRS)

Kế tục dự án SPEAKeasy, hệ thống vô tuyến chiến thuật dùng chung là mộtchương trình do Bộ Quốc phòng Mỹ thiết lập năm 1999 để đạt được khả năng lậptrình bằng phần mềm trong công nghệ vô tuyến để có thể hỗ trợ đa giao thức và đabăng tần trong thông tin Quân sự Bộ Quốc phòng Mỹ đã nhận thấy sự cần thiết củaviệc liên lạc vô tuyến - vô tuyến trực tiếp để hỗ trợ những người lính khác nhau củabất kỳ quân binh chủng nào trong những tình huống khẩn cấp Dựa trên nền tảngcủa CORBA và POSIX là các hệ thống hoạt động đồng thời cho các mô đun khác

Điều khiển tần số vô tuyến Quản lý các thành phần vô tuyến tương tự

Điều khiển mô đem Quản lý nguồn hỗ trợ các hệ thống điều chế và giải

điều chế khác nhau

Xử lý dạng sóng Xử lý các chức năng modem và các hệ thống điều

chế

Xử lý bằng mật mã Quản lý các chức năng an ninh

Mô đun đa phương tiện Xử lý thoại

Giao diện người sử dụng Chức năng điều khiển tại chỗ và từ xa

Modem định tuyến Giám sát các dịch vụ mạng

Mô đun điều khiển Chức năng điều khiển toàn bộ

nhau Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung phát triển một kiến trúc mở trong lịchtrình phát triển cho hệ thống vô tuyến phần mềm Lịch trình này do SCA (SoftwareCommunications Architecture) đề ra, nó được JTRSA phát triển và đưa ra một tậphọp các chỉ tiêu được mô tả bằng liên lạc và tương tác giữa các mô đun vô tuyếnkhác nhau.

JTRS họp tác với rất nhiều các tổ chức khác như diễn đàn SDR, một tổ chứcphi lợi nhuận bao gồm các nhà cung cấp và các cổ đông khác, nhóm quản lý côngtrình (OMG: Object Management Group) nhằm thúc đẩy sự phát triển xa hơn của

Trước tiên, các thiết bị vô tuyến cứng truyền thống là một cấu trúc phức tạpcác thành phần phần cứng khác nhau Ví dụ như ở một trạm gốc, các cấu trúc đóbao gồm hỗn hợp các thiết bị vô tuyến, kiến trúc điều khiển, các hạ tầng cơ sở điềukhiển và truyền thông Rất nhiều các thành phần cố định hoạt động liên quan yêucầu cho việc xử lý và truyền dẫn của các tín hiệu vô tuyến khác nhau trong các hệthống đó Điều này dẫn đến tính không mềm dẻo, hạn chế khả năng liên hoạt độngcủa các chuẩn khác nhau và hạn chế việc hỗ trợ và khả năng xử lý vói chỉ một giaothức giao tiếp không gian bằng các hệ thống dựa trên phần cứng

Việc phát triển nhanh chóng của các chuẩn không dây đã phát sinh ra mộtvấn đề lớn khác Một số chuẩn truyền dẫn không dây như GPRS, EDGE (Enhanced

Data Rates for GSM Evolution) và các chuẩn 3G đang được lưu ý và trở lên đángtin cậy Tuy nhiên, do các hệ thống phần cứng chỉ có khả năng xử lý một giao thứcthông qua một hệ thống, các nhà cung cấp dịch vụ yêu cầu để triển khai một số cáctháp tại tất cả các vùng để phục vụ nhiều chuẩn do các nhà cung cấp vẫn còn duy trìcác handset cũ Điều bất lọi này dẫn đến thời gian đưa ra thị trường của sản phẩmlâu và làm giảm chu trình đổi mói của nền công nghiệp Khả năng khác có thể nângcấp cơ sở hạ tầng phần cứng là các công nghệ mới và pha trộn các chuẩn Tuynhiên, thực tế chứng minh việc này trở thành phi hiệu quả và chỉ có thể thông quaviệc thay thế và thay đổi phần cứng giá thành thấp.

1.2.2 Sự xuất hiện của SDR

Mặc dù các hệ thống vô tuyến mềm đã được chứng minh những ưu điểmtrong các dự án Quân sự rất sớm nhưng nó mới chỉ trở thành các ứng dụng thươngmại vài năm gần đây Công nghệ không dây đã tạo một bước tiến vào kỷ nguyênmới, việc thương mại hoá các sản phẩm SDR đã chứng tỏ hiệu quả về giá thành vàtính khả thi, dẫn đến việc dần dần chuyển đổi kiến trúc số cứng truyền thống đểthay thế bằng các giải pháp vô tuyến mềm Sự phát triển không ngừng trong cáclĩnh vực công nghệ như vi xử lý nhúng, biến đổi A/D, lập trình hướng đối tượng và

số hoá cao tần đã cho phép phát triển hướng tói lĩnh vực các hệ thống vô tuyếnmềm

1.2.3 Các định nghĩa khái niệm SDR

Có một số định nghĩa về SDR đang tồn tại, tất cả các định nghĩ đều khônghoàn toàn phù hợp vói nhau Uỷ ban thông tin liên bang (FCC: FédéralCommunications Commision) định nghĩa SDR như sau: “Là thế hệ thiết bị vô tuyến

mà có thể lập trình lại, phát và thu tại bất kỳ tần số nào trong dải tần hoạt động mộtcách nhanh chóng, có thể sử dụng hầu hết các định dạng truyền dẫn và các chuẩnnào” Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU: International Télécommunication Union)thì đưa ra định nghĩa: “Là hệ thống vô tuyến mà trong đó các tham số hoạt độngbao gồm dải tần, kiểu điều chế, công suất phát có thể thay đổi bằng phần mềm”

Ngược lại, diễn đàn SDR, một tổ chức quốc tế phi lợi nhuận xúc tiến sự phát triểncủa SDR đưa ra định nghĩa bao quát hơn: “SDR là tập hợp các công nghệ phầncứng và phần mềm mà có thể tái cấu hình các kiến trúc hệ thống cho các mạngkhông dây và các thiết bị đầu cuối người sử dụng” Một lý do mà dẫn đến vài địnhnghĩa mâu thuẫn nhau có thể là do bản chất phức tạp và rộng lớn của công nghệ này

và sự khác nhau về ý nghĩa để thực hiện các hệ thống SDR

1.2.4 Năm thế hệ của SDR

Sự phức tạp của cấu trúc SDR dẫn đến việc tồn tại rất nhiều định nghĩa mâuthuẫn nhau Với mục đích là thúc đẩy hơn nữa hiểu biết về công nghệ SDR, diễnđàn SDR đã định nghĩa 5 thế hệ chứa đựng các phạm trù khác nhau của hệ thống vôtuyến mềm

Thế hệ 0 mô tả các thiết bị vô tuyến cứng, và thực ra thì không được xem làthuộc vào lĩnh vực của SDR Công nghệ SDR đơn giản nhất bắt đầu với thế hệ 1,

đó là các thiết bị vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SCR: Software ControlledRadios) với các chức năng điều khiển được xử lý bằng phần mềm Một ví dụ đơngiản nhất là điện thoại tế bào 2 chế độ, nó gồm 2 máy vô tuyến cứng cho 2 chuẩnkhác nhau Phần mềm sẽ chỉ đơn thuần điều khiển xem máy vô tuyến nào sẽ sửdụng còn không thể nâng cấp các chuẩn phát triển mói được

Thế hệ 2 là thế hệ các hệ thống vô tuyến định nghĩa mềm có thể tái cấu hình.Đúng như tên gọi của nó, các hệ thống SDR có thể tái cấu hình để cho phép điềukhiển bằng phần mềm thông qua các kỹ thuật điều chế, các tính năng bảo mật (nhưnhảy tần) và các yêu cầu về dạng sóng trong một băng tần rộng được cung cấp bằngphần mềm SDR thế hệ 2 ứng dụng các kỹ thuật xử lý như công nghệ ASIC, FPGA

và DSP Mặc dù các SDR có thể tái cấu hình được sử dụng phổ biến nhất hiện nay,đặc biệt là cho các ứng dụng Quân sự, nhưng do sự phát triển nhanh chóng củacông nghệ SDR, các hệ thống này đã trở lên lỗi thòi Một ví dụ cho hệ thống SDRthế hệ 2 là hệ thống SPEAKEasy

SDR thế hệ 3 còn được gọi là vô tuyến mềm lý tưởng (ISR: Ideal Software

Radios) cuối cùng sẽ trở thành các hệ thống được sử dụng chủ yếu nhất trong tươnglai gần Dựa trên những tính năng mở rộng của khả năng lập trình tới toàn bộ hệthống, việc chuyển đổi tương tự sẽ được thực hiện hoàn toàn chỉ ở anten, micro vàloa Các thành phần trộn tần thực hiện chức năng chuyển tần số vô tuyến thu thànhtần số không đổi cũng như các thành phần khuếch đại tương tự sẽ được loại bỏtrong các máy vô tuyến mềm lý tưởng.

Trong khi đó, các hệ thống SDR thế hệ 4 hiện nay mới chỉ là viễn cảnh củaSDR Diễn đàn SDR tuyên bố rằng thế hệ 4 là các vô tuyến mềm sau cùng (USR:Ultimate Software Radios) “chỉ được định nghĩa cho các mục đích so sánh”, về mặt

lý thuyết, các USR đó xem như có thể hỗ trợ cho một dải tần rộng, các ứng dụng vàcác giao diện không gian, cho phép chuyển giữa các định dạng giao diện khônggian và các ứng dụng khác nhau chỉ trong vòng cỡ mini giây

1.2.5 Những ưu điểm của SDR

Thuật ngữ SDR lần đầu tiên được đặt ra năm 1991 Vói các tính năng vôtuyến được nhúng và xử lý trong các mô đun phần mềm thì công nghệ SDR thểhiện hàng loạt các ưu điểm

Ưu điểm lớn nhất của các hệ thống SDR là việc giói thiệu các phương phápmói về khả năng nâng cấp và tính linh hoạt động vốn có SDR dựa trên kiến trúc

mở và bao gồm một nền phần cứng tổng quan chung cho phép có thể cài đặt linhhoạt các ứng dụng phần mềm khác nhau tuỳ theo yêu cầu của việc truyền dẫn tínhiệu Các nền phần cứng đó có thể sử dụng để hỗ trợ các sản phẩm, dịch vụ và giaothức khác nhau Kết quả là các hệ thống vô tuyến đa băng tần, đa chế độ có thểthích ứng được với một số giao thức như AMPS, TDMA, CDMA hoặc GSM màhiện nay phần lớn được sử dụng các chuẩn không gian Có thể tin tưởng rằngTDMA và GSM cuối cùng cũng sẽ họp nhất thành 1 chuẩn trong tương lai gần Từquan điểm đó, hàng triệu các máy điện thoại cầm tay hiện nay đang sử dụng sẽkhông thích nghi được với chuẩn mới này, vì vậy việc họp nhất tức thời cả haichuẩn này gần như là không thể Thông qua việc cùng tồn tại của một số mô đun

mềm trong một hệ thống và khả năng có thể lập trình, sự thích nghi và hỗ trợ năngđộng của các chuẩn khác nhau thì điều này sẽ có thể thực hiện được.

Đặc biệt hướng đến sự phát triển của các chuẩn mới hỗ trợ các dịch vụ dữliệu tốc độ cao như các công nghệ GPRS, EDGE và 3G, các trạm gốc vô tuyếnmềm sẽ có thể tích họp các ưu điểm của các đa giao thức dịch chuyển dung lượngđộng giữa các dịch vụ khi được yêu cầu Ảnh hưởng tích cực về chi phí vốn tươnglai cho các nhà cung cấp dịch vụ qua việc giảm bớt những chi phí triển khai cơ sở

hạ tầng mà suy cho cùng có thể làm hạ bớt chi phí dịch vụ cho các thuê bao

Cùng với tính linh hoạt là tính hiệu quả và tính bền vững của các hệ thống vôtuyến thông qua các chức năng được xử lý trong các mô đun mềm Do không cònnhu cầu thay thế và thay đổi phần cứng trong các hệ thống SDR, các nhà cung cấpthiết bị có thể sử dụng một giai đoạn mở rộng để chèn vào và tái cấu hình các chuẩnmới một cách dễ dàng hơn Giảm bớt các phần tử phần cứng cố định cũng có nghĩa

là giảm được việc bảo trì và việc sử dụng các nền phần cứng tổng quan nên sẽ giảmđược giá thành cho thiết bị

SDR cũng còn có ưu điểm là hiệu quả sử dụng phổ tốt hơn Yêu cầu để cungcấp chuyển hồi thông qua các đường dây thuê bao hoặc các hệ thống vi ba cố địnhtrong các kiến trúc truyền thống tạo ra hệ số chi phí khổng lồ cho các nhà cung cấpdịch vụ không dây

Thông qua SDR, các nhà cung cấp sẽ không bị giới hạn bỏi số kết nối chuyểnhồi vật lý do các phần của phổ vô tuyến có thể được sử dụng cho chuyển hồi khôngdây tới các bộ điều khiển trạm gốc trung tâm dựa trên phần mềm Các trạm gốc đơnđược kết nối không dây tới các bộ điều khiển, chỉ có một kết nối vật lý trung tâmđược duy trì để kết nối các cơ sở hạ tầng không dây đến trung tâm chuyển mạchviễn thông di động Điều này đưa ra giải pháp giá cả hiệu quả hơn rất nhiều, loại bỏđược phần chi phí khổng lồ để vận hành mạng thường xuyên và thúc đẩy một cáchhiệu quả để phân bố tài nguyên nhằm đáp ứng các yêu cầu của các thuê bao

Đối với người dùng, vài tiện ích sẽ được dùng trong các thiết bị thu phát cầm

tay, như là trong các điện thoại tế bào, PDA, laptop hay các thiết bị cầm tay khác.Chúng tính đến cả sự thích nghi với nhiều giao thức giao tiếp không gian và cácchuẩn truyền thông, các khả năng di chú đến các chuẩn mới xuất hiện thông quacác phần mềm nạp xuống và lập trình được qua các khối phần mềm.

Tuy nhiên, còn quan trọng hơn đối với nhà cung cấp thiết bị, sự tích hợp củaSDR trong các máy thuê bao sẽ yêu cầu cân nhắc hai hệ số kỹ thuật quan trọng.Thứ nhất, các chip tích hợp sẽ yêu cầu được thiết kế ở kích thước họp lý cho cácthiết bị cầm tay, cũng như các vấn đề công suất tiêu thụ phải được cân nhắc Quantrọng hơn là các nhà cung cấp dịch vụ sẽ giải quyết tình trạng khó xử “các vấn đềnhư là sự gian lận, hóa đơn các cuộc gọi và các mức dịch vụ” như thế nào Cáchướng tiết kiệm và sự tự nguyện của các nhà cung cấp để họp tác sẽ hướng tới sựtích họp hơn nữa của SDR trong các thiết bị thuê bao Mục tiêu cuối cùng là sự pháttriển của thiết bị cầm tay cho phép truy cập tới các dịch vụ không dây đa dạng khácnhau Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm có khả năng hỗ trợ nhiều thiết bị cầmtay điều đó có thể giúp cho mơ ước luôn có về sự hội tụ trở thành hiện thực

Nhiều ứng dụng như là các dịch vụ điện thoại tế bào, duyệt web, thư điện tử,định vị toàn cầu hay hội thảo qua video có thể được tích hợp vào một hệ thống.Mặc dù vậy những loại hệ thống hội tụ cao này chưa gần đến hiện thực vào thòiđiểm hiện tại

Hội đồng truyền thông liên bang FCC (Federal CommunicationsCommission) hy vọng rằng việc thực hiện của SDR sẽ xúc tiến sử dụng phổ hiệuquả hơn, phát triển truy cập tới các dịch vụ không dây và khuyên khích cạnh tranhgiữa các nhà cung cấp dịch vụ hơn

Hệ thống SDR bao gồm các khối chức năng cơ bản như bất kỳ hệ thốngthông tin số nào Công nghệ này xuất phát từ những yêu cầu cho phép hoạt động ở

đa băng tần, đa dịch vụ và khả năng tái cấu hình để có thể hỗ trợ cho các chuẩngiao tiếp không gian khác nhau của các khối này Để đạt được yêu cầu về tính mềmdẻo thì phạm vi của kỹ thuật xử lý số cần phải được di chuyển gần bằng vị trí antencòn các mạch số cho các ứng dụng đặc biệt để xử lý tín hiệu băng gốc thì cũng nêntiếp cận đến các kỹ thuật có thể lập trình

Các chức năng của hệ thống thông tin số có thể chia thành các lĩnh vực: xử lýchuỗi bit, xử lý dạng sóng băng gốc và xử lý băng thông, ở trạm phát của hệ thống

vô tuyến số có thể phân chia chi tiết hơn bao gồm: nguồn thông tin, bộ mã nguồn,

bộ mã mật, bộ mã kênh, bộ điều chế, bộ biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tuơng tự,

và mạch cao tần Tương ứng như vậy thì ở trạm thu cũng sẽ gồm mạch cao tần, bộchuyển đổi tương tự thành số, bộ

Bảng sau mô tả tổng thể về các lợi ích của SDR

Độ tương thích HỖ trợ nhiều chuẩn thông qua nhiều chế độ, khả năng

radio nhiều băng tần

Độ linh hoạt Dịch chuyển hiệu quả giữa tài nguyên và kỹ thuật

Độ thích nghi Di trú nhanh hơn về các kỹ thuật và chuẩn mói thông

qua khả năng lập trình và cấu hình lại

Độ duy trì Tăng việc sử dụng thông qua các nền phần cứng chung

Độ cạnh tranh Giảm cơ sở hạ tầng, giảm bảo trì và triển khai nhanh

1.3 Các phương diện xử lý

Nguồn Khối mã Khối mã

Khối mã kênh

Khối điều chế cao tần Khối

Khôi phục Khối giải Khối giải

Khối giải

mã kênh Bô tách

Khối giải điều chế

Khối cao tẩn Định thời và đổng bô

đồng bộ, bộ giải điều chế, bộ tách sóng, bộ giải mã kênh, bộ giải mã mật, bộ giải

mã nguồn và bộ giải mã thông tin

Hình 1.3: Sơ đồ khối của một hệ thống vô tuyến số

Điểm chính xác mà bộ chuyển đổi dạng sóng giữa số và tương tự hoạt độngtuỳ thuộc vào kiến trúc cụ thể Trong các kiến trúc vô tuyến truyền thống, việcchuyển đổi được thực hiện ở băng gốc, ngược lại trong các hệ thống SDR thìchuyển đổi được đặt giữa các tầng tại tuyến điều chế kênh, ở một tần số trung tần.Việc hoạt động ở đa băng tần, đa chế độ của một hệ thống SDR đòi hỏi những yêucầu khắt khe cho các kiến trúc hệ thống cơ bản Các yêu cầu hỗ trợ đa băng tần tácđộng đến việc thiết kế các khối cao tần và các bộ chuyển đổi A/D và D/A Các khốicao tần phải được điều chỉnh hoặc thích nghi trực tiếp với những tần số trung tâmkhác nhau và độ rộng băng yêu cầu phải đáp ứng được các chuẩn khác nhau màSDR hỗ trợ Các kiến trúc đầu cuối cũng khác với việc thích nghi các yêu cầu vềdạng sóng ở các chế độ hoạt động khác nhau

1.3.1 Đầu vào của tần số vô tuyến

Mặc dù một vô tuyến phần mềm lý tưởng có rất ít đầu vào tương tự, gồm bộchuyển đổi tương tự sang số ở ăng ten, nhưng bất kỳ một thực hiện thực tế nàocũng cần một đầu vào vô tuyến (RF) và thiết kế các phần còn lại cấu hình lại được

là một vấn đề rất phức tạp Thiết bị thu phức tạp hơn so

với thiết bị phát và ADC là phần quyết định giới hạn việc chọn kiến trúc đầuvào RF Chức năng chính của RF là việc chuyển đổi xuống và chọn lựa kênh, loạinhiễu, khuếch đại.

Thiết bị phát RF lấy tín hiệu từ bộ chuyển đổi số sang tương tự, chuyển đổitín hiệu đến tần số vô tuyến phát, khuếch đại tín hiệu lên mức mong muốn, hạn chếdải thông của tín hiệu bằng bộ lọc nhằm tránh nhiễu và đưa tín hiệu tói ăng ten.Thiết bị nhận chuyển đổi tín hiệu từ ăng ten xuống tần số trung tâm thấp hơn để dảitần mói phù hợp với ADC, lọc nhiễu và các kênh không tương thích, khuếch đại cáctín hiệu đến mức phù hợp cho ADC Phần chung của mọi kiến trúc máy thu trừ cácmáy thu số hóa hoàn toàn là ăng ten cung cấp tín hiệu qua bộ lọc dải thông đến một

bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Bộ điều chỉnh độ khuếch đại tự động (AGC) giữmức tín hiệu phù họp vói ADC Các mục đích thiết kế bao gồm đạt được một dảiđộng phù hợp và tối thiểu nhiễu cộng trong khi giảm tiêu thụ nguồn Thông thường

ở đó phải có sự cân bằng giữa tiêu thụ nguồn và dải động

Các phần con sau đây mô tả các kiến trúc thiết bị thu khác: máy thu đổi tần,

bộ chuyển đổi trực tiếp, RF và các thiết bị số hoàn toàn

a Kiến trúc máy thu đổi tần

Máy thu đổi tần là kiến trúc đầu vào RF phổ biến nhất Nó được phát triển đểkhắc phục những hạn chế của thiết bị chuyển đổi trực tiếp Trong máy thu đổi tần,tín hiệu nhận được chuyển thành IF cố định, nó thấp hơn tần số trung tâm của tínhiệu RF nhưng cao hơn so với dải thông của tín hiệu ra mong muốn Thông thường

bộ chuyển đổi được thực hiện trong hai tầng chuyển đổi được chỉ ra trong hình 1.4

Kiến trúc máy thu đổi tần điển hình cần các thành phần phụ thuộc tần số bịđộng như bộ lọc điện môi RF và sống âm thanh bề mặt và các bộ lọc gốm trong

Hình 1.4 Cấu trúc máy thu đổi tần

tầng IF Dải thông hoặc tần số trung tâm của bộ lọc không được thay đổi Thay vào

đố, chứng được thiết kế theo các chuẩn đặc biệt Nhiều đầu vào hoặc các thànhphần điều chỉnh là các gỉảỉ pháp cố thể nhưng không phù hợp vì kích thước và độlớn Nó làm cho kiến truc máy thu đổi tần không phù hợp cho đầu vào dải rộng RFcủa vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm, ít nhất là trong các thiết bị cầm tay.Thiết bị thu chuyển đổi kép hấp dẫn nhất khỉ khoảng cách kênh nhỏ từ đố kiến truclàm cho các bộ lọc dải hẹp cố thể thực hiện được

Tín hiệu IF cố thể được xử lý ở dạng số nếu bộ chuyển đổi A/D được thựchiện trước tẩng cuối của bộ chuyển đổi xuống Trong trường hợp đó, thuật toán xử

lý số cố thể được dùng để phân tích và giảm những hạn chế do đầu vào tương tự

b Kiến trúc bộ chuyển đổi trực tiếp

Máy thu chuyển đổi trực tiếp (DCR) cần số lượng các phần thấp hơn đáng kể

và nó hấp dẫn vì tính đơn giản Khái niệm DCR đạt được sự thu hút như kết quảphù hợp cho việc sử dụng đa chuẩn Trong DCR, tín hiệu nhận được chuyển đổixưống trực tiếp xuống dải tần cơ sở Tín hiệu chuyển đổi xuống được lọc bởi bộ lọctần số chống răng cưa và sau bộ chuyển đổi tương tự sang số, các kênh mong muốnđược chọn bed các bộ lọc phần mềm

Trong hình 1.5 mô tả cấu trúc phẩn tương tự của bộ chuyển đổi trực tiếp

mà nố sử dụng lấy mẫu cầu phương

Hình 1.5 Cấu trúc máy thu chuyển đổi trực tiếp lấy mẫu cầu phương

Cho đến nay, các máy thu chuyển đổi trực tiếp chỉ phù hợp với các phương

pháp điều chế mà nố không cố phần quan trọng của năng lượng tín hiệu gần DC Cũng cố những vấn đề liên quan đến thực tế là bộ dao động nội của DCR ở dải tín

hiệu, có thể có nhiễu nội bộ và các tín hiệu không được phép Một trong các vấh đề

là nhiễu pha giảm xuống trong dải tần cơ sở Vì vậy, kiến truc DCR cần một bộ daođộng nội vô cùng ổn đỉnh Một SỐ các vấn đề có thể được giải quyết bằng việc xử

lý tín hiệu

Ngoài khả năng chuyển đổi giữa các các chế độ và các dải đặc biệt, các máythu chuyển đổi trực tiếp không đưa ra tính linh hoạt nổi bật Một số chuẩn giao diệnkhông gian, chúng rất khó để hỗ trợ bởi một bộ chuyển đổi trực tiếp Mặt khác, kháiniệm đã chứng minh tính thương mại cho một số mục đích bời sự tồn tại của thiết

bị thu GSM Một số nguồn gợi ý DCR là kiến trúc đầu vào RF có triển vọng nhấtcho vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm

c Máy thu RF được điều hưởng

Phẩn tương tự của máy thu tần số vô tuyến được điều hưởng chỉ bao gồmmột ăng ten kết nối đến một bộ lọc dải thông RF có khả năng điều hưởng và một bộkhuếch đại tạp âm thấp vứi AGC, như minh họa trong hình 1.6

Hình 1.6 Máy thu điều hưởng cao tần

Cái khó chính của kiến trúc là cần một ADC với tốc độ lấy mẫu cao vì dảithông rộng của bộ lọc RF Đồng thời, hệ số roll-off của bộ lọc phải nằm trong tínhtoán để tránh sai số lấy mẫu Tốc độ lấy mẫu cao với dải động cao dẫn đến tiêu thụnguồn tương đối cao Yêu cầu cho bộ lọc RF cũng đang thử thách và bộ lọc thực tế

cố thể chỉ chọn một vài dải rộng hơn mà chúng phải được lọc dạng số sau đấy chỉđưa ra dải của kênh mong muốn Việc điều khiển độ khuếch đại khó hơn các máythu đa tầng Trong máy thu điều hưởng RF, một số hạn chế lớn nhất của bộ chuyểnđổi trực tiếp không còn nữa Nố phù hợp cho máy thu đa chế độ hỗ trợ các dải khácnhau, làm cho kiến tróc này phù hợp nhất với vô tuyến được định nghĩa bằng phầnmềm

1.3.2 Bộ chuyển đổi A/D và D/A

Xem xét đến sự thực hiện và giá thành của vô tuyến được định nghĩa

bằng phần mềm, bộ chuyển đổi tương tự sang số và bộ chuyển đổi số sangtương tự là những thành phần quan trọng nhất Trong nhiều trường họp, chúngquyết định dải thông, dải động và tiêu thụ nguồn của máy vô tuyến Độ rộng dảiADC là nhiệm vụ thách thức nhất trong thiết kế vô tuyến bằng phần mềm Dảithông và dải động của tín hiệu tương tự phải phù họp với ADC Vô tuyến địnhnghĩa bằng phần mềm lý tưởng có thể sử dụng các bộ chuyển đổi dữ liệu ở RF, nódẫn đến nhu cầu mâu thuẫn: tốc độ lấy mẫu rất cao, dải thông trên vài GHz, và mộtdải động có hiệu quả cao, trong khi tránh tiêu thụ nguồn quá lớn về mặt vật lý giớihạn trên cho khả năng của ADC có thể nhận được từ nguyên lý bất địnhHeisenberg Trường hợp ở 1 GHz giới hạn trên cho dải động là 20 bit hoặc 120 dB.Tuy nhiên, có những tham số giới hạn khác bao gồm: hệ số jitter và hiệu ứng nhiệt.Đáng tiếc, việc cải tiến thực hiện ADC là rất chậm không như các lĩnh vực côngnghệ khác có liên quan đến vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm.

Tốc độ lấy mẫu fs/2 xác định tần số lớn nhất cho tín hiệu tương tự có thể khôiphục chính xác từ tín hiệu bao gồm các mẫu được lấy ở tốc độ fs Các tần số caohơn do sai số lấy mẫu và vì thế tín hiệu sẽ qua bộ lọc méo gập trước khi đến ADC

Số bit của ADC xác định giới hạn trên cho dải động có thể đạt được Dải động cầnthiết càng cao, thì sự suy giảm giải chặn của bộ lọc phải càng lớn Trong trườnghọp ADC 16 bit cần độ suy giảm trên 100 dB để giảm năng lượng tín hiệu méo gậpdưới một nửa năng lượng của bit thấp nhất (LSB)

Đầu vào tương tự của ADC có ảnh hưởng trực tiếp đến dải động Tính phituyến tính của đầu vào gây ra sự điều biến tương hỗ Dải động tự do không xácthực (SFDR) chứng tỏ sự khác nhau giữa đầu vào tối thiểu có thể phát hiện được(nhiễu nền) và điểm mà méo bậc ba trở lên mạnh hơn so với nó Các chuẩn và cácloại giao diện không gian khác nhau có nhu cầu khác nhau về dải động Một SFDRlớn là cần thiết để cho phép khôi phục các tín hiệu tỷ lệ nhỏ khi nhiễu mạnh xuấthiện Các loại khác nhau của các kiến trúc máy thu cần các phương pháp lấy mẫukhác nhau Máy thu đổi tần hoặc máy thu chuyển đổi trực tiếp có thể có một tínhiệu dải tần cơ sở I/Q là đầu ra tương tự, thì việc lấy mẫu cầu phương dải tần cơ sởđược yêu cầu Một khả năng khác là đầu ra tương tự của tần số trung gian, phù họpvói kế hoạch lấy mẫu như ví dụ sử dụng ADC sigma-delta để lấy mẫu băng dải IF.Lấy mẫu trực tiếp là phương pháp phù họp cho các tín hiệu tương tự IF thấp

Thực hiện ADC thường có hệ số giới hạn trong khái niệm SDR và được thảoluận rộng hơn trong nội dung này, đường truyền dẫn cũng là một vấn đề thiết kế của

sự phức tạp có thể so sánh được Những yêu cầu cho ADC bao gồm: tính tuyến tínhcao, việc lọc hiệu quả và tách xung đồng hồ từ đầu ra, để tránh méo tín hiệu và phát

ra các dải đơn

Các phần con sau đây thảo luận về méo tín hiệu trong các bộ chuyển đổi vàcác yêu cầu liên quan từ những giao diện không gian khác Phần tiếp theo mô tả cácphương pháp lấy mẫu khác và cấu trúc các bộ chuyển đổi

a Nhiễu và méo tín hiệu trong các bộ chuyển đổi

Méo trong các bộ chuyển đổi dữ liệu bao gồm: tạp âm lượng tử, méo quá tải,các lỗi truyền tuyến tính, các lỗi không tuyến tính, khoảng cách jitter và tạp âmnhiệt Tạp âm lượng tử hóa chỉ ra lỗi không thể tránh do việc lấy gần đúng tín hiệuliên tục bằng các mức rời rạc được mô hình như là một nguồn tạp âm Các ảnhhưởng của nó có thể được giảm đi bằng việc lấy quá mẫu và tạo dạng tạp âm Việclấy quá mẫu làm tăng tỷ số tín trên tạp (SNR) của hệ thống bởi vì một phần củanăng lượng tạp âm có thể bị loại bỏ bởi việc lọc

Méo quá tải là do các tín hiệu đầu vào vượt quá dải được cho phép mà ADC

có thể đáp ứng Rất khó để loại bỏ hoàn toàn lượng quá tải và, mặc dù méo quá tải

có thể làm giảm SNR một cách đáng kể, nhưng đôi lúc hữu ích khi cho phép vàiméo Độ khuếch đại yếu làm giảm số bit thực tế sử dụng Hơn nữa, các tín hiệu phổrộng có các yêu cầu khác hơn nhiều các tín hiệu không rộng bởi vì tác động khácnhau của các lỗi ký tự riêng lẻ trong thực hiện tổng thể Thòi gian đáp ứng củaAGC là một tham số giới hạn Cả đáp ứng quá nhanh hay quá chậm đều làm giảmviệc thực hiện Đáp ứng nên để đủ nhanh để cho việc sử dụng toàn bộ dải trong khivẫn loại bỏ việc quá mẫu Thông thường hằng số thời gian tối ưu phụ thuộc vào cáctác động kênh và hình dạng riêng biệt của dạng sóng Vì vậy AGC tối ưu phụ thuộcvào chuẩn giao tiếp không gian được sử dụng, nó phải được tính toán trong khi thiết

kế SDR

b Các phương pháp lấy mẫu

Lấy mẫu trực tiếp hoặc lấy mẫu Nyquist dựa trên lý thuyết lấy mẫu, nó yêu

cầu tốc độ lấy mẫu bằng ít nhất hai lần thành phần tần số cao nhất của tín hiệuthông thấp tương tự Trong thực tế tiến hành, bộ lọc khử răng cưa là vấn đề trungtâm của thiết kế bộ chuyển đổi Bằng việc lấy quá mẫu, thì các yêu cầu lọc tín hiệu

có thể được đơn giản Mặt khác, việc lấy quá mẫu đòi hỏi ADC tốc độ cao hơn vàtăng tốc độ dữ liệu trong xử lý số

Trong trường họp lấy mẫu cầu phương, tín hiệu đầu vào được tách thànhthành phần cùng pha và thành phần vuông góc Dải thông của chúng bằng một nửadải thông của tín hiệu gốc Vì vậy, lấy mẫu cầu phương giảm yêu cầu về tốc độ lấymẫu Bộ giải điều chế pha hoặc các tín hiệu điều chế tần số cần lấy mẫu cả thànhphần cùng pha và vuông góc vì các thành phần này chứa thông tin khác nhau Bằngcách sử dụng bộ xử lý số như bộ chuyển đổi Hilbert, việc tách này có thể được thựchiện ở miền tần số

Dải tần RF của các hệ thống vô tuyến có đặc điểm dải thông thay thế đặcđiểm thông thấp Lấy mẫu dải thông, hay lấy mẫu băng con cũng dùng định lýNyquist, tốc độ lấy mẫu phải bằng hai lần dải thông của tín hiệu đầu vào

c Các cấu trúc chuyển đổi

Mặc dù có nhiều ADC khác nhau, nhưng chỉ một vài kiến trúc lõi được sửdụng rộng rãi Sự phù hợp của một kiến trúc cụ thể phụ thuộc vào các yêu cầu do

hệ thống xác định Các kiến trúc chuyển đổi thông thường bao gồm các cấu trúcsong song, phân đoạn, lặp, sigma-delta

Một bộ chuyển đổi nhanh bao gồm các bộ so sánh song song và thang điệntrở Lợi ích của kiến trúc này là thiết kế đơn giản và thòi gian chuyển đổi rất thấp.Điều này làm cho bộ chuyển đổi nhanh là sự chọn lựa hấp dẫn khi chỉ cần một dảiđộng nhỏ Sự phức tạp của kiến trúc tăng theo hàm mũ khi số bit tăng và 10 bit làgiói hạn trên thực tế Trở ngại khác là các khó khăn vói tính tuyến tính Các bitthêm vào làm cho vấn đề này xấu hơn và lợi ích quan trọng nhất là tốc độ cao bịmất khi giảm dải thông hiệu quả, khi nhiều bộ so sánh được kết nối vói nhau.Ngược lại, các bộ chuyển đổi đa bậc: tốc độ cao, độ phân giải cao được xây

dựng Tín hiệu số được chuyển đổi ngược về một tín hiệu tương tự bởi một DACgiữa các tầng Sau một phép trừ, chỉ tín hiệu còn lại được đưa đến tầng tiếp theo.ADC nhiều tầng có nhiều thuận lợi: độ chính xác cao mà độ phức tạp không tăngtheo hàm mũ, hoặc độ trễ lớn Tuy nhiên, kiến trúc có một số khó khăn Độ phângiải của DAC ở tầng đầu tiên phải lớn hơn so với độ phân giải của toàn bộ ADC.ADC sigma-delta bao gồm một bộ lọc tương tự, một bộ so sánh, một ADC vàmột decimator với một bộ lọc số được chỉ trong hình 1.7.

Hình 1.7 Bộ chuyển đổi tương tự sang số Sigma- delta

Bộ so sánh cho biết tín hiệu ra nếu nó tăng hoặc giảm Các ADC sigma-deltalàm việc bằng cách sử dụng việc lấy quá mẫu Thuận lợi là chúng loại bỏ nhiễulượng tử từ các tín hiệu dải hẹp Trong nhiều trường hợp, kiến trúc này phù họp vóicác vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm Các bộ điều chế sigma-delta có thểđược sử dụng cho cả việc lấy mẫu trực tiếp và lấy mẫu dải thông

1.3.3 Xử lý sô

Xử lý số là phần chủ yếu của vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, môitrường xử lý số lập trình được làm cho nó có khả năng cấu hình lại đến bất kỳ giaotiếp không gian nào Phân đoạn xử lý số của SDR có chức năng tương tự như các

hệ thống truyền thông số khác Các điểm khác bao gồm phần cứng bên dưới phảilập trình lại được và trong đó phải có vài phần mềm điều khiển cho quản lý việccấu hình lại

a Chọn phần cứng xử lý

Nhu cầu cấu hình lại đòi hỏi việc sử dụng phần cứng xử lý tín hiệu số lậptrình được Việc cấu hình lại có thể được thực hiện ở một vài mức Có thể được

biểu hiện bằng các thành phần mà chúng là các ASIC cố định hay phần cứng có thểđược cấu hình lại toàn bộ, ví dụ các FPGA Trong đó phải thực hiện sự kết hợp giữatính lập trình được, thời gian cấu hình lại, nguồn xử lý, tiêu thụ nguồn, giá, vv Hầu hết việc cài đặt phần cứng được tối ưu có thể được làm bằng các ASICnhưng nó rất bất tiện để có một chip chuyên dụng cho mọi chế độ hoạt động Xử lýtín hiệu số trội hơn về mặt lập trình nhưng chúng không thể xử lý mọi thứ, ít nhất làvới việc tiêu thụ nguồn có thể chịu được FPGA thường được dùng cho việc tínhtoán chuyên sâu Thời gian cấu hình của chúng dài hơn đáng kể so với thời gian cầnthiết cho lập trình lại DSP và các bộ xử lý đa năng.

bộ chuyển đổi tín hiệu xuống băng gốc Do tần số lấy mẫu là rất cao, nên việc giảm

mẫu là cần thiết trước khi tín hiệu tới phần xử lý băng gốc.

d Xử lý dạng sóng dải tần cơ sở

Phân đoạn sóng dải tần cơ sở xử lý các dạng sóng băng gốc số Đây là tầng

mà phần đầu của điều chế kênh được thực hiện Điều chế xung tạo ra một dạngsóng số từ một dòng bit Dạng xung đựơc sử dụng để tránh xuyên nhiễu giữa các ký

tự (ISI) Méo trước đối với các kênh không tuyến tính có thể được thực hiện ở tầng

xử lý dải tần cơ sở Trong máy thu, ước lượng tham số quyết định mềm nếu được

sử dụng thì cũng được thực hiện trong tầng này Điều chế số ở dải tần cơ sở yêu cầuđồng bộ trong thiết bị thu Các phương pháp điều chế tương tự cũng có thể được

mô phỏng sử dụng xử lý sóng số với các yêu cầu tính toán họp lý

e Xử lý dòng bit

Phân đoạn xử lý dòng bit gồm một bộ mật hóa, ghép kênh, mã hóa dòng bit ởbên phát và ngược lại, thiết bị thu xử lý với các chức năng tương ứng nhưng đảolại Các dòng bit mã hóa nguồn khác nhau được mật hóa và mã hóa kênh, dồn vàomột dòng Điều khiển lỗi hướng đi (FEC) bao gồm mã hóa kênh, xen kẽ chức năngyêu cầu gửi lại tự động (ARQ) Quá trình xen kẽ được yêu cầu để sử dụng hiệu quảviệc mã hóa cho phát hiện lỗi và sửa lỗi Trong các vô tuyến phần mềm quân sự,mật hóa và các chức năng bảo mật thông tin khác là các vấn đề thiết kế nhiều thửthách

1.3.4 Quản lý cấu hình lại và tài nguyên

Khả năng cấu hình lại, là một phần tất yếu của khái niệm SDR, nó là vấn đềrộng và phức tạp Việc cấu hình có thể được thực hiện ở nhiều mức ở giai đoạnkhởi tạo, các vô tuyến phần mềm được định nghĩa như các vô tuyến có chức nănggiao tiếp không gian được cấu hình lại bằng phần mềm Định nghĩa mới hơn là một

vô tuyến mà chức năng của nó được cấu hình lại bằng phần mềm Việc cấu hình lại

có thể được thực hiện bằng phần mềm tải xuống qua không gian hoặc sử dụng cáckết nối dây dẫn Chức năng cấu hình lại có thể định vị ở bất kỳ lóp giao thức nào

Khả năng cấu hình lại ở lóp thấp cho phép chuyển vùng hoặc bắc cầu trong khi ởlóp cao nhất, cấu hình lại cho phép các ứng dụng và dịch vụ mới có khả năng ápdụng.

Trong trường hợp đơn giản nhất, các yêu cầu thiết lập bỏi khả năng cấu hìnhlại của SDR chỉ liên quan đến thiết bị cuối người dùng Trong trường hợp phức tạphơn, hệ thống tìm một cấu hình tối ưu dựa trên điều kiện, các dịch vụ hỏi đáp vàdung lượng người dùng trong mạng Vì vậy, việc quản lý khả năng cấu hình lạimạng và các giao thức có khả năng thích nghi là cần thiết Yêu cầu của các luồng

dữ liệu dịch vụ theo đơn đặt hàng vói các tham số chất lượng dịch vụ (QoS) là lý dochính yêu cầu các giao thức có thể tham số hóa Việc cung cấp mềm dẻo các dịch

vụ yêu cầu quản lý cấu hình lại và các giao diện lập trình ứng dụng mở

1.4 ứng dụng của SDR

Vói kỹ thuật SDR, các nhà khai thác di động có thể nâng cấp hệ thống mạngđến phiên bản mới nhất mà không cần thay đổi phần cứng, do đó giảm tổng chi phí.Những dịch vụ mói được cung cấp cho các lớp người sử dụng khác nhau trên nềnmột hạ tầng phần cứng chung Do đó, triển khai SDR sẽ giúp các nhà khai thácchuyển từ “nhà cung cấp mạng” thành “nhà cung cấp dịch vụ”, từ đó tạo ra cácnguồn doanh thu mói Ngoài ra, thiết bị SDR còn giúp cải thiện thời gian đưa sảnphẩm ra thương mại, làm giảm đáng kể rủi ro đầu tư của nhà khai thác Không chỉvậy, SDR còn mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng đầu cuối Nó cho phépkhách hàng có thể thay đổi và truy nhập các tính năng cũng như các dịch vụ mới đadạng dễ dàng Các thuê bao có thể sử dụng đầu cuối SDR để chuyển vùng dễ dànggiữa các nhà khai thác và tận hưởng sự di động thực sự Kỹ thuật SDR làm tăngvòng đời của việc đầu tư thiết bị đầu cuối và đảm bảo không bị lỗi thời

Trong thông tin quân sự, ứng dụng SDR không những đáp ứng tốt trong cácđiều kiện làm việc khắc nghiệt, điều kiện môi trường truyền sóng phức tạp mà cònmang lại những tính năng quan trọng trong việc bảo mật thông tin, dễ dàng thay đổichế độ hoạt động: tín hiệu công tác, dải tần, dạng điều chế, kiểu mã hóa tiếng nói,

tốc độ dữ liệu mà không cần lắp đặt thay đổi nhiều về phần cứng Khi muốn thayđổi chế độ công tác chỉ cần thay đổi trong phần mềm đem lại hiệu quả cho khungphần cứng có sẵn Hệ thống DSR cho phép thiết lập các hệ thống thông tin quy môlớn, trong đó bao gồm nhiều loại phương tiện thông tin của quân binh chủng khácnhau, cho các dạng thông tin khác nhau Các ưu điểm nổi bật của hệ thống SDRtrong thông tin quân sự là tính an toàn của thông tin, mã hóa bảo mật, tích hợpnhiều chức năng và chế độ công tác, sử dụng linh hoạt, khả năng kết nối máy tính

và các mạng thông tin liên lạc khác theo các chuẩn mói của thế giới

Kết luận chương 1

Vói sự phát triển của các bộ xử lý tín hiệu số DSP, các công cụ thiết kế lậptrình trên các ngôn ngữ bậc cao cho phép mở ra sự phát triển của các hệ thống SDRthực tế Khả năng xử lý, tốc độ của hệ thống được nâng lên trong khi giảm nhỏ rấtnhiều kích thước và khối lượng của thiết bị do các linh kiện có độ tích họp cao Đa

số các phần xử lý tín hiệu có thể được xây dựng trên một Chip FPGA Sự tích họpcao giúp mang lại hiệu quả thiết kế cao hơn, nhanh hơn Làm cho thiết bị tuy thêmcác chức năng mói nhưng lại có kích thước nhỏ gọn, linh hoạt Tăng khả năng thaythế và lắp lẫn nhau Điều đó mang lại cả hiệu quả kinh tế và hiệu quả sử dụng chothiết bị vô tuyến cấu hình mềm

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ SDR TRÊN cơ SỞ FPGA

Chương này tập trung trình bày về công nghệ FPGA và quá trình thiết kế vớiFPGA Đây là công nghệ tiên tiến đã được nghiên cứu rất nhiều và được ứng dụngrộng rãi trên thế giới

2.1 FPGA là gì?

FPGA là viết tắt của dãy cổng khả trình (Field-Programmable Gate Array),

đây là loại IC trong đó cho phép người thiết kế lập trình thay đổi các thiết kế củamình FPGA xuất hiện như một giải pháp cơ bản cho vấn đề tranh thủ thời gian đểđưa ra thị trường và rủi ro tài chính phải gánh chịu trong quá trình nghiên cứu sảnphẩm của công nghệ điện tử FPGA là loại thiết bị khả trình (PLD) tiên tiến nhấthiện nay của nghành công nghệ chế tạo IC chuyên biệt mà vẫn được gọi là ASIC

2.2 Quá trình phát triển của các thiết bị khả trình

Các thiết bị lập trình được, gọi chung là các thiết bị khả trình, có vai trò rấtquan trọng trong thiết kế phần cứng số Chúng là các chip đa dụng có thể được cấuhình theo nhiều cách cho nhiều ứng dụng khác nhau

* Loại đầu tiên của thiết bị khả trình được sử dụng rộng rãi là Programmableread-only Memory-PROM PROM là thiết bị lập trình chỉ được một lần gồm mộtdãy các ô nhớ chỉ đọc PROM có thể thực hiện bất kỳ một hàm logic theo bảng sựthật nào đó, bằng cách sử dụng các đường địa chỉ như các ngõ nhập vào và ngõxuất đựơc xác định nội dung các bit nhớ Có hai loại PROM cơ bản là Mask-Programmable và Field-Programm -able

+ Mask-Programmable là loại thiết bị được lập trình bởi nhà sản xuất Cácchip này thường được sản xuất là các chip logic tốc độ cao vì các kết nối bên trongthiết bị được thực hiện bằng phần cứng ngay từ khi sản xuất

+ Field-Programmable là thiết bị được lập trình bỏi người dùng Các kết nốibên trong của Field-Programmable luôn cần đến một số chuyển mạch lập trìnhđược (cầu chì, transistor truyền ) vì vậy tốc độ truyền chậm hơn của thiết bị nối

cứng {Mask-Programmable) Tuy nhiên nó có nhiều ưu điểm như:

- Các chip Field-Programmable có thể lập trình trong thòi gian ngắn (khoảngvài phút hay vài giờ đồng hồ) còn các chip Mask-Programmable khi sản xuất phảithực hiện trong thòi gian dài (hàng tuần hay hàng tháng)

- Các chip Field-Programmable rẻ hơn nhiều so với Mask-Programmable khisản xuất vói số lượng nhỏ

Hai biến thể của PROM là EPROM (Eraseable Programmable Read Only

Memory) và EEPROM {Electrically Eraseable Programmable Read Only Memory)

chúng đều có chung ưu điểm là có khả năng xoá và lập trình lại nhiều lần

* Tiếp đến là các thiết bị PLD {Programmable Logic Device) chúng thông

thường có cấu tạo gồm một dãy các cổng AND được nối vói một dãy các cổng OR

Loại cơ bản của PLD là PAL {Programmable Array Logic), PAL gồm một khối các

cổng AND lập trình được nối đến các khối cổng OR cố định Một loại nữa của PLD

linh hoạt hơn PAL là PLA (Programmable Logic Array) PLA cũng có cấu trúc

giống PAL nhưng các kết nối khả trình Trong PLA cũng có hai loại là Programmable và Field-Programmable

Mask-Cả hai loại PLD trên cho phép thực hiện các mạch logic có tốc độ cao tuynhiên cấu trúc đơn giản của chúng chỉ cho phép thực hiện được các mạch logic cỡnhỏ

* Loại thiết bị khả trình tổng quát nhất gồm dãy các phần tử rời rạc có thểkết nối với nhau theo mô tả của người sử dụng, được gọi là Mask- ProgrammableGate Array (MPGA) chúng có cấu trúc cơ bản nhất là gồm

FPGA đã kết họp khả năng lập trình của PLD và kết cấu nối có thể mở rộngcủa MPGA Do đó các thiết bị lập trình loại này có mật độ logic cao hơn FPGAđược công ty Xilinx giói thiệu lần đầu tiên vào năm 1985 và đến nay đã có nhiềucông ty phát triển như: Actel, Altera, Plessey, Plus logic, Quick

2.3 Cấu trúc của FPGA

FPGA là mạch tích họp chứa nhiều (64 đến hơn 10.000) ô logic (logic cell)giống nhau có thể xem là các thành phần chuẩn Mỗi ô logic giữ một hay một sốchức năng độc lập Các ô giống nhau được kết nối bỏi một ma trận đường dẫn vàcác chuyển mạch khả trình Người thực hiện thiết kế bằng các đặc trưng logic đơncủa mỗi ô và lựa chọn đóng các chuyển mạch trong ma trận kết nối Mảng của các

ô logic và kiểu kết nối là kết cấu xây dựng khối cơ bản trong mạch logic Các thiết

kế phức tạp được tạo ra bằng cách kết họp các khối cơ bản để tạo ra các mạch được

Mô hình tổng quát của FPGA gồm một dãy hai chiều các khối logic (logic

block) có thể được kết nối bằng các nguồn kết nối chung Các nguồn kết nối gồm

các đoạn kết nối (segment) có thể có chiều dài khác nhau Bên trong các kết nối là

các chuyển mạch lập trình được dùng để nối các khối logic với các đoạn dây, cáckhối vào/ra hay các đoạn dây vói nhau Mạch logic cài đặt trong FPGA bằng cáchánh xạ logic vào các logic riêng rẽ và sau đó nối các khối logic cấu hình

(Configurable Logic Block-CLB) cần thiết qua các chuyển mạch Các khối CLB

cung cấp các phần tử chức năng vói cấu trúc sử dụng logic Các khối vào/ra (Input

Out Block-IOB) cung cấp giao diện giữa các gói chân và các đường tín hiệu bên

trong Tài nguyên kết nối khả trình cung cấp các bộ phận truyền dẫn tói kết nối đầuvào và đầu ra của các CLB và các IOB trong mạng riêng

Vậy cấu trúc FPGA gồm ba phần tử chính: Các khối logic cấu hình (CLB), các khối vào/ra (IOB) và các kết nối

• Các khối logic cấu hình

Cấu trúc và nội dung của logic block được gọi theo kiến trúc của nó Kiếntrúc của khối logic có thể thiết kế theo nhiều cách khác nhau, có thể là các cổng

AND 2 ngõ nhập, các bộ dồn kênh (Multiplexer) hay các bảng tra cứu (Look-up

Table) Ngoài ra có thể chứa các Flip-Flop để hỗ trợ cho việc thực hiện một cách

tuần tự

• Các nguồn kết nối (Routes)

Các nguồn kết nối có cấu trúc và nội dung được gọi là kiến trúc đường

(Routing Architecture) Kiến trúc Routing gồm các đoạn dây nối và các chuyển

mạch khả trình Các chuyển mạch khả trình có cấu tạo khác nhau như transistor, được điều khiển bởi các cell SRAM, các phần tử cầu chì nghịch,EPROM transistor và EEROM transitor Giống như các khối logic có nhiều cáchkhác nhau để thiết kế các kiến trúc routing Một số

pass-FPGA cung cấp nhiều kết nốỉ đơn giản giữa các khối logic, một số khác cung cấp ítkết nếỉ hơn nên routing phức tạp hơn

2.4 Phân loại FPGA

Cố nhiều loại FPGA của các nhà sản xuất khác nhau, tuy nhiên chung cố thểchia thành 4 loại như hình vẽ 2.2 Bao gồm cấu trúc mảng đối xứng (SymmetricalArray), cấu trúc hàng (Row- based), cấu trúc PLD phân cấp (Hierachical PLD), cấutruc đa cổng (Sea- of-gate)

Xét về mặt sử dụng cố 2 loại lỉnh kiên cấu hình cho các kết nốỉ của FPGA:

- Loại SRAM (Static Radom Accès Memory) cố thể lập trinh

nhiều lần

- Loại OTP (One-Time Progammable) chỉ lập trình một lần

Haỉ loại này khác nhau ở chỗ thực thị của Logic Cell và kỹ thuật tạo sự kếtnối trong thiết bị

Hình 2.2 Bốn loại FPGA điển hình

Kiểu hay được dùng hơn cả là kiểu SRAM vì nố cổ thể lập trình được nhiềulẩn Thực tế thì SRAM FPGA được nạp chương trinh lại mỗi khi bật nguồn, bỏi vìFPGA loại này thực chất là một chip nhớ theo ý muốn Vậy tại sao lại phải cần mộtchip PROM nối tiếp hoặc bộ nhớ hệ thống cùng vói mỗi SRAM FPGA Cấu trúccủa 2 loại được thể hiện ở hình 2.3 và 2.4 sau đây:

- Loại SRAM có thể lập trình lại:

(Kr ỉ noi phú ỉért Logic Bỉock)

+ SRAM xác định các đường nối.

+ SRAM xác định đơn vị Logic trong bảng tra LUT

Hình 2.3 Cấu trúc SRAM FPGA (SRAM Logic Cell)

- Loại OTP cho phép lập trình một lần:

+ Các đường nối không được phép nối như dạng cầu chì +

Logic là các cổng truyền thống

Hình 2.4 Cấu trúc OPT F PGA ( OPT Logic Cell)

Trong SRAM Logic Cell, thay vì các cổng thông thường là một bảng tra LUTxác định đầu ra dựa vào các giá trị đầu vào

Trong OPT Logic Cell sử dụng kết nối giữa các đường theo dạng nối ngược(Có nghĩa là ngược vói cầu chì, sự kết nối tạo ra và không bị nóng cháy trong suốtthòi gian nạp chương trình) để tạo ra các kết nối cố định trong chip Hơn nữa OPTFPGA không cần SPROM nào khác, điều này có nghĩa là nạp chương trình vàothẳng FPGA Tuy nhiên mỗi lần thay đổi thiết kế lại phải vứt bỏ đi một con chip.Loại OPT Logic Cell tương tự như họ PLD vói các cổng và flip-flop như D, T hayRS

Look Up Table (LUT) Flip - Flop

SRAM Logic Cell

Các cổng Flip -Flop

OTP Logic Cell

2.5 Quá trình thiết kế cơ bản trên FPGA

Quá trình thiết kế trên FPGA sử dụng hệ thống CAD (Computer AidedDesign) Hình 2.5 biểu diễn các bước trong hệ thống CAD tiêu biểu để tạo ra mộtmạch FPGA Từ trên hình vẽ ta thấy, điểm bắt đầu cho mạch thiết kế là mạch logicban đầu Bước này cần một sơ đồ biểu diễn mạch hay một mô tả VHDL hoặc mộtđặc tả các biểu thức Boolean Từ các đầu vào như vậy, chúng ta được chuyển thànhdạng chuẩn như là các biểu thức Boolean Các biểu thức Boolean này được xử lýbằng công cụ tối ưu logic (Rút gọn các biểu thức), mục đích của việc này là để tối

ưu về diện tích và tốc độ của mạch thiết kế Sau khi đã được tối ưu, các biểu thứcBoolean được chuyển tói mạch logic block của FPGA thông qua chương trình ánh

xạ công nghệ (Technology Mapping), bộ ánh xạ sẽ tối thiểu số khối được dùng vàgiảm đường dẫn để tối ưu về giữ chậm Sau khi ánh xạ mạch vào các logic block thìcần phải quyết định đặt mỗi khối ở đâu, công việc này do Placement giải quyết.Bước cuối cùng trong hệ thống CAD là nối kết do phầm mềm Rounting thực hiện,chúng ấn định các đoạn dây FPGA và chọn các chuyển mạch có thể lập trình phùhợp với các kết nối trong logic block Sau khi thực hiện xong bước này, kết quả củaCAD sẽ được nạp vào đơn vị lập trình tạo ra chip FPGA cuối cùng

Hình 2.5 Quá trình thiết kế trên FPGA

Sau đây ta sẽ phân tích chi tiết từng giai đoạn của quá trình thiết kế CAD

2.5.1 Tối ưu Logic

Đây chính là công việc sửa lại cấu trúc để giảm sự phức tạp của mạch banđầu Trong giai đoạn này không chú ý đến kiểu của các phần tử sẽ được dùng saunày nên nó còn được gọi là tối ưu không phụ thuộc vào công nghệ (Technology-Independent) Tiến hành tối ưu chính là làm giảm sự dư thừa hoặc loại bỏ nhữngbiểu thức con chung Mạch sau khi được tối ưu có chức năng tương đương vớimạch ban đầu

2.5.2 Ánh xạ công nghệ

Sau khi tối ưu Logic, ánh xạ công nghệ sẽ biến đổi mạch này thành mạchcuối cùng Điều này sẽ được làm bằng cách chọn lựa từng phần của mạng và mỗicái sẽ được thực hiện bỏi một trong những phần tử của mạch có sẵn và xác định